ПРИВОД ШТАНГОВОГО ГЛУБИННОГО НАСОСА Российский патент 2000 года по МПК F04B47/02 

Изобретение относится к оборудованию для добычи нефти и может быть использовано для создания возвратно-поступательного движения штангового насоса.

Известно устройство привода скважинного штангового насоса [1], содержащее раму с закрепленной на ней системой блоков, через которые перекинут трос, соединенный с полированным штоком глубинного насоса. Второй конец троса соединен с противовесом. Вращение от электропривода передается на систему блоков, перемещая вверх и вниз плунжер глубинного насоса.

Недостатком известного устройства преобразования вращательного движения электропривода в возвратно-поступательное движение насоса является его высокая энергоемкость, обусловленная необходимостью затрат энергии как при подъеме насоса, так и при его спуске.

Наиболее близким к заявляемому по конструктивным параметрам и достигаемому результату является привод длинноходового глубинного насоса [2], содержащий электролебедку, трос которой соединен с насосом, и гидроаккумулятор, выполняющий роль противовеса и запасающий энергию при опускании насоса. При подъеме насоса эта энергия частично компенсирует затраты электроэнергии привода.

Недостатком известного устройства, принятого в качестве прототипа заявляемому техническому решению, является сложность конструкции, обусловленная наличием гидроаккумулятора с большой энергоемкостью, системы блоков и тросов, что в свою очередь снижает его надежность, а также невозможность регулирования в широких пределах параметров работы привода и насоса, что уменьшает его универсальность.

Решаемая предлагаемым изобретением задача и ожидаемый технический результат заключаются в упрощении конструкции и снижении энергоемкости, а также в повышении надежности и универсальности за счет возможности регулирования параметров работы привода и насоса.

Поставленная задача решается тем, что в приводе штангового глубинного насоса, содержащем электропривод, систему преобразования вращения в возвратно-поступательное движение, соединенную с насосом, аккумулятор для утилизации энергии при движении насоса вниз, гибкую связь, соединяющую все элементы конструкции с насосом, система преобразования вращения в возвратно-поступательное движение выполнена в виде цепной передачи, содержащей расположенные друг над другом на одной вертикали звездочки с натянутой на них втулочно-роликовой цепью, одна из боковых ветвей которой шарнирно соединена с насосом, звездочки за креплены на одном основании, имеющем возможность горизонтального перемещения с помощью зубчато-реечной передачи, в которой рейка закреплена неподвижно, а шестерня закреплена соосно со звездочкой и приводится во вращение цепью через рычаг, соединенный с шестерней. Аккумулятор выполнен в виде маховика, соединенного с системой преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное через повышающий редуктор-мультипликатор. Электропривод выполнен в виде регулируемого следящего асинхронного электродвигателя, система управления которого соединена с системой преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, а выходной вал - с маховиком. Накопитель энергии содержит маховик с регулируемым маховым моментом, причем механизм изменения махового момента выполнен в виде архимедовой спирали, установленной соосно с маховиком с возможностью вращения вокруг оси, а с архимедовой спиралью соединены по крайней мере два груза, имеющие возможность радиального перемещения в противоположных направлениях относительно оси вращения.

На фиг. 1 представлена кинематическая схема привода штангового глубинного насоса.

На вертикальной балке 1 (фиг. 1), соединенной через ось с катками 2, закреплены звездочки 3. Катки 2 установлены на горизонтальных рельсах 4. На звездочках 3 (на верхней и нижней парах) натянуты две силовые втулочно-роликовые цепи 5. Между двумя цепями 5 шарнирно закреплен палец 6, середина которого соединена с полированным штоком насоса 7. Соосно с нижним блоком звездочек 8 размещен рычаг 9, жестко соединенный осью 10 с шестерней 11 и дополнительной звездочкой 12. Нижняя и верхняя звездочки 12 соединены между собой цепью 13. Верхняя и нижняя шестерни 8 зацеплены с неподвижными зубчатыми рейками 14. Блок звездочек 8 через цепь, звездочку 15 и редуктор 16 соединен с маховиком 17 и биротативным двигателем 18 [3]. Замыкающий фрикционный ролик 19 двигателя 18 соединен с кулачком 20, закрепленным на оси 10.

На фиг. 2 показан маховик с изменяемым маховым моментом. Здесь 1 - диск, снабженный архимедовой спиралью 2, соединенной с грузами 3.

Привод работает следующим образом.

В исходном положении полированный шток насоса 7 находится в нижнем положении. При включении электропитания двигатель 18 через редуктор 16, цепную передачу 15 вращает блок звездочек 8, приводя в движение силовую цепную передачу 5. Палец 6 с прикрепленным к нему полированным штоком 7 поднимается на высоту, соответствующую высоте подъема насоса. Для обеспечения совпадения вектора вертикального усилия цепи 5 с направлением хода полированного штока 7 необходимо переместить в горизонтальном направлении балку 1 с закрепленными на ней звездочками 3 и 8. Это осуществляется с помощью верхней и нижней зубчато-реечных передач 11 и 14, объединенных в единую кинематическую схему цепной передачей 13. Поворот шестерен 11 производится пальцем 6 через рычаг 9.

Когда точка подвеса полированного штока 7 приходит в верхнее положение, кулачок 20 через рычажную систему перемещает фрикционный замыкающий ролик двигателя 18, устанавливая режим слежения, при котором двигатель вращается со скоростью маховика 17, не оказывая силового действия на него. Полированный шток 7 под действием веса колонны штанг насоса стремится опуститься вниз, при этом раскручивается маховик 17, запасая кинетическую энергию опускающегося груза. При прохождении точкой подвеса нижней точки направление движения штока 7 меняется на противоположное, т.е. он начинает подниматься. Маховик 17, продолжая вращаться в прежнем направлении, отдает запасенную энергию для подъема насоса. Когда энергия маховика полностью расходуется, двигатель 18 продолжает поднимать шток 7 до заданной высоты, при достижении которой процесс повторяется. Цикл работы устройства соответствует режиму крутильного маятника Максвелла, обеспечивая наиболее экономичный энергетический режим колебательного движения.

Для изменения скорости цикла "спуск-подъем" (т.е. числа качаний в минуту) необходимо изменить маховой момент маховика 17. Для этого маховик выполняется в виде диска, снабженного архимедовой спиралью, соединенной с грузами. Для увеличения числа качаний в минуту грузы сближаются путем вращения спирали, уменьшая тем самым момент инерции маховика. Для уменьшения числа качаний грузы раздвигаются, увеличивая момент инерции маховика.

Предлагаемая схема привода позволяет для подъема подвижной части насоса с жидкостью и использовать энергию, запасенную при его спуске. Расчеты и исследование макета установки позволяют сделать вывод, что использование энергии, запасенной маховиком, позволяет поднять подвижную часть насоса с жидкостью на 65-70% от максимальной высоты подъема, т.е. мощность, затрачиваемая на компенсацию потерь, не превышает 35% от полной мощности цикла.

В качестве базового объекта для сравнительного анализа принят наиболее близкий по техническим показателям и промышленно применимый привод ПШГНТ 12-3, выпускаемый предприятием "Уралтрансмаш" (г. Екатеринбург) [4]. Сравнительные характеристики предлагаемого электропривода маятникового типа (ЭПМ) и серийного привода приведены в таблице.

По сравнению с известными приводами штанговых глубинных насосов предлагаемая конструкция имеет следующие преимущества:
меньшую массу, габариты и энергоемкость;
высокую степень надежности и регулируемости технологических параметров (длины хода и скорости качания).

Технические параметры предлагаемого привода маятникового типа обеспечивают его широкое применение на большинстве скважин с ШГН (возможно увеличение длины хода до 6 метров без изменения других параметров).

Кроме наземного использования ЭПМ может применяться на морских платформах. По экспертным оценкам возможность применения ШГН для эксплуатации скважин только на части месторождений Северного моря и шельфах Аляски составляет 475 скважин и имеет тенденцию к увеличению.

На начало 1999 года только четыре крупнейших нефтяных компании России - ЛУКОЙЛ, ЮКОС, Сургутнефтегаз, Тюменская НК - имеют 65 тысяч эксплуатационных нефтяных скважин, в том числе 22,5 тысячи эксплуатируются с применением ШГН. В целом по России таких скважин 37,7 тысячи. Четыре упомянутые компании эксплуатируют 16,4 тысячи скважин с использованием ШГН на месторождениях, находящихся на заболоченных территориях Западной Сибири.

Предлагаемая конструкция привода позволит с наименьшими затратами освоить новые месторождения Западной Сибири.

Источники информации
1. Гусейнов М.А., Багиров Ф.Ш., Алиев В.А. Привод штангового глубинного насоса. /А.с. SU N 1548516. //Бюлл. изобр. N 9, 1990.

2. Захаров Б.C., Зайцев Ю.В., Джафаров Ш.Т., Семеновых А.В., Новиков Л. А., Гаджиев М.А., Мусаев Ф.К. Привод длинноходового глубинного насоса. /А.с. SU N 1321915. //Бюлл. изобр. N 25, 1987.

3. Шаньгин Е. С. Регулируемый бесступенчатый электропривод переменного тока. /А.с. SU N 1274114. //Бюлл. изобр. N 44, 1986.

4. Рекламный проспект "Приводы штанговых глубинных насосов", Россия, Екатеринбург, Уралтрансмаш, 1998.

Привод предназначен для использования в оборудовании для добычи нефти и может создавать возвратно-поступательное движение штангового насоса. Привод штангового глубинного насоса содержит электропривод, систему преобразования вращения в возвратно-поступательное движение, соединенную с насосом, аккумулятор для утилизации энергии при движении насоса вниз, гибкую связь, соединяющую все элементы конструкции с насосом. Система преобразования вращения в возвратно-поступательное движение выполнена в виде цепной передачи, содержащей расположенные друг над другом на одной вертикали звездочки с натянутой на них втулочно-роликовой цепью. Одна из боковых ветвей шарнирно соединена с насосом. Звездочки закреплены на одном основании, имеющем возможность горизонтального перемещения с помощью зубчато-реечной передачи, в которой рейка закреплена неподвижно, а шестерня закреплена соосно со звездочкой и приводится во вращение цепью через рычаг, соединенный с шестерней. Аккумулятор выполнен в виде маховика, соединенного с системой преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное через повышающий редуктор-мультипликатор. Электропривод выполнен в виде регулируемого следящего асинхронного электродвигателя, система управления которого соединена с системой преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, а выходной вал - с маховиком. Накопитель энергии содержит маховик с регулируемым маховым моментом, причем механизм изменения махового момента выполнен в виде архимедовой спирали, установленной соосно с маховиком с возможностью вращения вокруг оси. С архимедовой спиралью соединены по крайней мере два груза, имеющие возможность радиального перемещения в противоположных направлениях относительно оси вращения. Упрощается конструкция, снижается энергоемкость, повышается надежность и универсальность за счет возможности регулирования параметров работы привода и насоса. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Привод штангового глубинного насоса, содержащий электропривод, систему преобразования вращения в возвратно-поступательное движение, соединенную с насосом, аккумулятор для утилизации энергии при движении насоса вниз, гибкую связь, соединяющую все элементы конструкции с насосом, отличающийся тем, что система преобразования вращения в возвратно-поступательное движение выполнена в виде цепной передачи, содержащей расположенные друг над другом на одной вертикали звездочки с натянутой на них втулочно-роликовой цепью, одна из боковых ветвей которой шарнирно соединена с насосом, звездочки закреплены на одном основании, имеющем возможность горизонтального перемещения с помощью зубчато-реечной передачи, в которой рейка закреплена неподвижно, а шестерня закреплена соосно со звездочкой и приводится во вращение цепью через рычаг, соединенный с шестерней. 2. Привод штангового глубинного насоса по п.1, отличающийся тем, что аккумулятор выполнен в виде маховика, соединенного с системой преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное через повышающий редуктор-мультипликатор. 3. Привод штангового глубинного насоса по п.2, отличающийся тем, что электропривод выполнен в виде регулируемого следящего асинхронного электродвигателя, система управления которого соединена с системой преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, а выходной вал - с маховиком. 4. Привод штангового глубинного насоса по п.2, отличающийся тем, что маховик выполнен с регулируемым маховым моментом, причем механизм изменения махового момента выполнен в виде архимедовой спирали, установленной соосно с маховиком с возможностью вращения вокруг оси, а с архимедовой спиралью соединены по крайней мере два груза, имеющие возможность радиального перемещения в противоположных направлениях относительно оси вращения.